浅谈悬臂轴的加工工艺

张斯纬 徐同强 李政治 薛垂允 王士军 毕雪

本文介绍了高速旋转的悬臂轴类零件的设计、加工方案，特别是碳纤维设备的工作环境对悬臂轴的特殊要求，有针对性的制定加工工艺路线。涉及关键词：高速旋转；悬臂轴；动平衡；焊接变型；锥孔轴承。

1引言

近几年随着我国科技经济的发展，纤维类的产品需求和品质需求逐年递增，这对我国的碳纤维生产企业是绝对的春天，同样对碳纤维设备制造业带来了机遇和挑战。关于碳纤维设备的设计、工艺制定、零件加工、组装，其中要克服很多机械原理上的问题，现就对悬臂轴类零件设计加工难点做一点分析。

碳纤维的生产分为聚合生产线、原丝纺丝生产线、碳化生产线，其中原丝生产线的设备基本上采用悬臂式结构，这主要是基于操作安全方便，随着市场对碳纤维需求的激增、碳纤维品质提高，以及生产成本的控制，对设备的要求越来越高。设备转速必须加快，辊体加粗，设备传动精度必须提高，最终对零件加工的难度要求加大了，比如悬臂轴（牵伸辊）。

2碳纤维设备上悬臂轴的特征

2.1零件的几项数据

辊面长度1800毫米，直径370毫米，壁厚20毫米，轴头长度945毫米，轴头和辊体的辊壳配合长度300毫米，总重970公斤，这种工件重量大，转速550r/s，所以要求轴头和辊壳配合部分必须热装不能焊接。如下图：

2.2零件的平衡要求

零件必须做动平衡（不平衡力矩小于1300g.mm），并且必须加重，加重时不能采取焊接方式。

2.3零件工作环境

另外，由于零件工作环境是三分之一的直径浸泡在液体内，所以辊体端面必须是封闭的，液体不能进入辊体内部，封闭的方法要排除所有的胶类粘堵，所以只能焊接。

2.4零件的跳动影响原因

为实现悬臂辊体的易安装、易拆卸，所以轴承选择锥孔轴承，辊体的轴肩断面必须和轴承台阶外圆垂直，否则装配后对辊体外圆跳动影响很大。

3悬臂轴问题的解决方案

以上的要求使悬臂轴加工工艺难度倍增，针对以上四个问题，可采取如下方案。

3.1针对2.1问题制定加工工艺

针对2.1问题来说，辊体的重量要轻一点对整体设备运行都是有利的，根据转动惯量的定义，辊体运行的惯量同辊体的重量有关，所以必须降低重量，还要兼顾辊体的刚性，因此对辊体内径采取镗阶梯孔，如图一中件2，从右向左内径镗孔逐步减小的阶梯来减少重量，同时保证辊体的刚性，避免高速旋转时产生柔性变型。镗孔使用的设备是深孔镗床（普利森T2235），镗5刀，每一刀的切削量为5毫米，加工后孔径分别为Φ314，Φ324，Φ334，Φ344，Φ354，最右端的孔壁厚为8毫米，Φ314作为件1和件2的热装尺寸。镗孔转速为50 r/s，走到速度为22毫米/分钟，刀盘采用双刀片，加滚压结构。

3.2针对2.2问题制定加工工艺

针对2.2问题来说，高速旋转的悬臂轴类件，动平衡要求必须要好，防止不平衡造成设备振动，这样对碳纤维的原丝牵伸效果严重影响，由于必须加重，并且加重不能采取焊接方式，因为去重要在辊体两端面处打孔，左边打孔会造成如图一件1和件2热装处松动，件2右边的端面壁厚只有8毫米，没有去重的空间，所以去重不可行，那么只有加重，采取焊接加重时，由于件2材质是304不锈钢，动平衡必须是在成品后做，焊接容易造成辊体变型，因此在件1和件2热装前做工艺法兰如图件3和件4，件3焊接在件1 的端面上，件4 热装在件2最右端的内孔里，件3和件4 端面事先加工一周均布丝孔，作为安装配重块位置，这样无论不平衡量在哪个点，都能找到安装配重块的丝孔，并且辊体右端的配重块要加在件4的左侧，最终配重块全部在件2辊壳内部。如图二。

3.3針对2.3问题制定加工工艺

针对2.3问题来说，由于零件工作环境是三分之一的直径浸泡在液体内，所以辊体端面必须是封闭的，液体不能进入辊体内部，封闭的方法要排除所有的胶类粘堵，所以只能焊接，由于辊件辊面要求全跳动小于0.08毫米，外圆尺寸要求正负0.025毫米，密封必须在辊件成品后实施（辊体所有尺寸加工完毕后，要做动平衡，平衡后才能密封），否则辊件无法磨削加工，并且件1的材料是304不锈钢，如果采取件2右端面封堵焊接，产生的变型量远远超过辊件的技术要求，必须想办法消除焊接变型量，因此在热装件4之前，先把件5和件4焊接在一起（密封焊接），在辊件成品后把件6焊接在件5 上（密封焊接），因为件5和件6的材料是2毫米的不锈钢板，件5的长度起到延长的作用，采用冷焊机焊接，这样产生的热量小，变形量也小，焊接产生的热量及变型通过件5过渡，把热量和变型得以缓冲，不会使件4的变型大影响到件2（在实验中验证过，如果取消件5，件6和件4相互焊接，件2 的外圆，从右端往左会延伸500毫米长度产生变型在0.5—0.2毫米），焊接后，这样件2内部形成一个密闭腔，辊件在工作时液体不会进入。

3.4针对2.4问题制定加工工艺

针对2.4问题来说，悬臂辊体的安装、维修拆卸都很麻烦，所以轴承选择锥孔轴承，并且悬臂辊件由于重量及悬臂结构极易产生装配后辊面跳动，辊体的轴肩端面必须和轴承台阶外圆垂直，否则装配时锥孔轴承锥套同轴肩不能很好贴合，那么轴承装配不正，对辊体外圆跳动影响很大，所以在辊件磨削成品后，必须上车床四爪找正，保证辊面跳动在技术要求内，再车平轴肩端面，保证轴肩端面和轴承台阶外圆垂直，这样锥套和轴同心，轴承安装才能和轴同心，这样才能确保悬臂辊件旋转跳动合格。

4总结

以上是针对悬臂类辊件设计加工的几点探讨总结，特别是高速纤维类生产大型设备辊件注意点。